CN104137369B - 具有锁环的圆柱形壳体 - Google Patents

Abstract

一种压力装置包括第一端盖、第二端盖、连接至第一和第二端盖的中空壳体、连接至第二端盖的锁环、连接至第一端盖的第一接线端以及连接至第二端盖的第二接线端。

Description

具有锁环的圆柱形壳体

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2012年3月20日向美国专利商标局提交的美国临时申请第61/613,106号的优先权，其公开的全部内容通过引用的方式并入本申请。

技术领域

本发明涉及压力壳体组件，并且更具体地涉及适于在水下环境中使用的压力壳体组件。

背景技术

海底系统设计的一项主要挑战是提供一种附接至传输电缆的一个大气压力的中空压力容器，其可用于容置各种海底工程所需的部件，例如通信、国防、以及海洋石油和天然气市场，这种压力容器具备承受深海和超深海环境中流体静压的能力。将这种类型的压力容器设计为气密密封并耐蚀，而且必要时使压力壳体能够重新进入，被证实是重要的设计挑战。在通信及控制系统中，通常将铜导体和/或光纤导体封装或拼接在压力容器中，铜导体和/或光纤导体连接至电缆。一项重要的挑战是保持压力容器壳体的结构完整性，同时为了组装和部署，保持整体的重量尽可能的轻。目前已经采用了许多方法来解决这些技术问题。这些方法通常需要分离的机械部件或子组件螺栓连接或焊接在一起用以形成完整的压力容器组件。这种焊接方法不允许在部署之前的制造、测试和处理期间根据需要重新进入到压力容器内。螺栓连接壳体和盖的方法需要相当多的高强度紧固件以及紧固件周围额外的材料以将负荷转移到壳体部件，导致壳体壁部厚度较大。

一些常规的技术/方法包括：

1.具有一个或多个螺栓连接的端盖的全金属压力壳体；

2.具有通过内螺纹附接的端盖的压力壳体；

3.具有需要内轴向负荷端盖支承结构的外部滑动外壳构造的压力壳体；

4.具有焊接的壳盖式结构的全金属压力壳体容器；

5.两件式全金属“蛤壳”型结构；

6.非金属压力容器壳体；以及

7.采用金属和非金属结构部件的混合压力容器结构。

如果在任何关键的组装环节遇到问题或者如果出现无法外部处理的其它问题，那么就需要重新进入到外壳内。本发明提供一种合理的装置，其提供一种一个大气压的气密密封的压力容器，其能够承受高流体静压的影响并且允许在任意时刻重新进入到压力容器内以接近压力容器的内部部件，而且在拆卸和重组的过程中不会损坏压力容器的任何部件。

发明内容

本发明的示例性实施例解决了上述现有技术/方法的问题和/或缺点。尽管本发明不需要克服上述的全部缺点，但是本发明的示例性实施例可解决上述缺点，以及上述没有提及的其它缺点，或虽不能克服上面列出的任何缺点却仍提供了相对于现有技术的改进方法和提高。

本发明的一个实施例采用单个自支承滑动外壳，无需单独的内支承结构，仍然可以支承每平方英寸数千磅的应用压力。当压力壳体外壳自身提供内部支承时，会减少部件的数量并增大压力容器内部可用的空间。

该实施例的其它特征可包括简易的螺纹封闭环，其无需使用多个紧固件且拖长组装时间就可以将自支承滑动外壳固定就位。

本发明的另一个实施例为压力装置，其包括第一端盖、第二端盖、连接至第一和第二端盖的中空壳体、连接至第二端盖的锁环、连接至第一端盖的第一接线端以及连接至第二端盖的第二接线端。

该实施例的其它特征可包括连接至第一和第二端盖中至少一个的桥结构，连接至桥结构的电气组件和/或光纤组件，接线端为铠装接线端，接线端为环氧树脂压盖，接线端为穿入器，壳体为圆柱形，锁环将第二端盖与压力装置轴向对齐并定位。

附图说明

图1示出了组装后的滑动圆柱压力容器的示例实施例的等轴测视图。

图2A-2D示出了组装后的滑动圆柱压力容器的示例实施例的正投影图。

图3A-3E示出了滑动圆柱压力壳体的示例实施例。

图4A-4E示出了端盖2的示例实施例的各种视图。

图5A-5E示出了端盖5的示例实施例的各种视图。

图6A-6D示出了锁环的示例实施例的各种视图。

图7A-7D示出了桥板的示例实施例的各种视图。

图8示出了接线端的示例实施例。

图9示出了端盖2和端盖5子组件的示例实施例。

图10示出了滑动圆柱压力容器的示例实施例的等轴测分解视图。

图11示出了滑动圆柱压力容器的示例实施例的截面图。

图12示出了FEA压力分析结果。

图13A-13B示出了FEA位移分析结果。

具体实施方式

下面详细的描述被提供用于帮助读者全面地理解本申请所述的方法、装置和/或系统。本领域普通技术人员能够想到本申请所述的系统、装置和/或方法的各种变更、变型和等同物。为了更加清晰简明，省略了熟知功能和结构的描述。

图1示出了组装后的滑动圆柱压力容器的示例实施例的等轴测视图。标识了一些主要的部件，并且在所示的示例中压力容器的每一端连接至电缆1。该容器包括滑动圆柱压力壳体3、第一端盖2、第二端盖5、端盖锁环4以及接线端33，例如铠装接线端、环氧树脂压盖、穿入器等等。在该实施例中，接线端33在预包覆模制聚氨酯靴36的下面。这些部件的细节在后面的附图中示出。容器被设计为在滑动圆柱压力壳体3内部不需要内部压力支承结构。而且，压力容器被设计为提供全电缆断裂强度轴向负载路径，而且同时支承高压力应用的纵向和径向的负载需求。

图2A-2D示出了组装后的滑动圆柱压力容器的示例实施例的正投影图。图2A示出了俯视图，图2C示出了侧视图，图2B示出了端盖2侧的端视图，图2D示出了端盖5侧的端视图。

图3A-3E示出了滑动圆柱压力壳体3的示例实施例。图3A示出了侧视剖视图，图3D示出了侧视或俯视图，图3B示出了等轴测视图，图3C示出了端盖2侧的端视图以及图3E示出了端盖5侧的端视图。滑动圆柱压力壳体3由沉淀硬化不锈钢制造，然而，其也可由其它材料制造，例如超级双相合金、钛或铜铍合金。滑动圆柱压力壳体3包含用于将端盖2连接至滑动圆柱压力壳体3的六个螺钉孔12、用于将端盖2连接至滑动圆柱压力壳体3的两个销钉孔11、用于将端盖5连接至滑动圆柱压力壳体3的两个销钉孔10以及两个转动扳钳孔8。壳体的端盖5侧上还设有肩部9，以便当锁环4紧固至端盖5上时保持端盖5靠着滑动圆柱压力壳体3。滑动圆柱压力壳体3可具有不同长度、直径和厚度，以便容置不同类型的部件和组件，并最大化可使用的内部空间。

图4A-4E示出了端盖2的示例实施例的各种视图。图4A为外部端视图，图4B为侧视图，图4C为内部端视图，图4D为侧视剖视图以及图4E为等轴测视图。端盖2包含用于将端盖2连接至滑动圆柱压力壳体3的六个螺钉孔13、用于将接线端33连接至端盖2的四个螺钉孔14以及用于将桥结构27连接至端盖2的两个螺钉孔17。端盖2还包括用于将端盖2连接至滑动圆柱压力壳体3的两个O形环槽15以及用于接线端33的贯穿孔16。氮气或惰性气体净化插头7从压力壳体的外部延伸到低压内部。端盖2由沉淀硬化不锈钢制造，然而，其也可由其它材料制造，例如超级双相合金、钛或铜铍合金。

图5A-5E示出了端盖5的示例实施例的各种视图。图5A为内部端视图，图5B为侧视图，图5C为外部端视图，图5D为侧视剖视图以及图5E示出了等轴测视图。端盖5包含用于将端盖5连接至滑动圆柱压力壳体3的两个销钉21、用于将接线端连接至端盖5的四个螺钉孔23以及用于将桥结构27连接至端盖5的两个螺钉孔18。端盖5还包括用于在端盖5和滑动圆柱压力壳体3之间产生密封的O形环39的O形环槽19、用于附接至锁环4的螺纹表面20以及用于接线端33的贯穿孔22。端盖5由沉淀硬化不锈钢制造，然而，其也可由其它材料制造，例如超级双相合金、钛或铜铍合金。

图6A-6D示出了锁环4的示例实施例的各种视图。图6A为侧视图，图6B为端视图，图6C为侧视剖视图，以及图6D为等轴测视图。锁环4包括6个转动扳钳孔24以及用于附接至端盖5的螺纹内表面25。锁环4由沉淀硬化不锈钢制造，然而，其也可由其它材料制造，例如超级双相合金、钛或铜铍合金。锁环4固定端盖5并且不需要使用多个紧固件。锁环4还将端盖5与压力容器轴向对齐并定位。

图7A-7D示出了桥结构27的示例实施例的各种视图。图7A为俯视图，图7B为端视图，图7C为侧视图以及图7D为等轴测视图。桥结构27具有用于更好的装配进滑动圆柱压力壳体3内的圆形表面26以及可用于安装光纤和/或电气组件和部件的平坦共面表面30。桥结构27还具有用于安装至端盖2上的两个安装翼片/孔28和用于安装至端盖5上的两个安装翼片/孔29。桥结构27由不锈钢制造，然而，其也可由其它材料制造，例如铝或塑料。桥结构的长度可变化，这取决于滑动圆柱压力壳体3的长度。在该实施例中，桥结构27不是设计为提供内部压力支承。然而，在其它实施例中，桥结构27可提供内部压力支承。此外，可在滑动圆柱压力壳体3内部安装多于一个的桥结构。

图8示出了接线端33的示例实施例，其包含用以将接线端固定至端盖的安装法兰32接线端和便于聚氨酯包覆模制粘接的槽37。接线端33还包含电缆入口34和光纤馈通管31。接线端33由沉淀硬化不锈钢制造，然而，其也可由其它材料制造，例如超级双相合金、钛或铜铍合金。接线端被设计和构造为支承与容器一起使用的全电缆断裂强度的电缆。

图9示出了不包含滑动圆柱压力壳体3的端盖2和端盖5子组件的示例实施例。该图示出了安装至端盖的桥结构27以及安装在端盖5上的锁环4。

图10示出了滑动圆柱压力容器的示例实施例的等轴测分解视图。该图示出了安装在桥结构27上的组件35(例如接合盘)以及安装螺栓38，桥结构27装配于滑动圆柱压力壳体3内部。

图11示出了滑动圆柱压力容器的示例实施例的截面。在该组装后的视图中，预包覆模制聚氨酯靴36被示出螺栓连接至端盖并且端盖被示出螺栓连接至滑动圆柱压力壳体3。还示出了在端盖与滑动圆柱压力壳体3之间形成密封的O形环39。

图12示出了FEA压力分析结果。FEA(有限元分析)示出了滑动圆柱压力壳体3表面的流体静压的平均分布，表明没有应力集中。该结果意味着本设计适用于全海洋压力。

图13A-13B示出了FEA位移分析结果。FEA(有限元分析)位移结果示出了在全海洋压力时几乎没有与压力有关的变形。该结果意味着设计刚性，同时不会致使O形环损坏/漏损。

本发明的优点及有益效果可包括，但不限于以下：

1.新设计的特点是压力壳体组件一旦组装后，可以根据需要容易地实现重新进入，在拆装和接下来的重装期间无需损坏任何部件。

2.新设计为圆柱形，其是用于抵抗流体静压的优选几何形状，并可在结构上实现更加坚固的耐压壳体。相比于非对称的多边形壳体，有限元分析(FEA)结果是更加可预测和可靠的。

3.新设计为滑动外壳构造，其不需要内部结构来支承端盖轴向负荷，显著地降低了整体重量，同时最大化了可使用的内部空间。

4.压力容器壳体组件是简易的，其使用紧固件和手工工具，无需使用特殊设备。

5.相比于全螺栓连接端盖或具有相同内部空间的多边形类盒体结构而言，减少了所使用紧固件的数量。

6.无需用于壳盖式组件的焊接等封闭方式。

7.新设计在焊接时不会将材料强度下调至不可预测的值并且不会随着焊接而改变基体金属的耐蚀特性。

8.新设计不需要后续的焊后热处理来恢复材料强度并且不需要对受热影响的区域进行焊后检查和检测。

9.新设计是模块化的，使得如果需要更长的壳体用于额外的内部空间，那么仅需要改变滑动圆柱部件的全长并在组件中进行替换。

10.相对于具有相同内部体积的多边形盒体以及盖型结构，新设计减少了水屏障密封总计整体长度。

11.新设计的所有主要部件是同轴的，增大了压力容器组件拉伸负荷承载能力。

12.相比于内部体积相同并就耐受流体静压能力而言具有足以与圆柱形压力容器相当的壁厚的多边形压力容器，新设计更轻。

13.新设计为压力壳体内部的所有部件提供了改进的入口，而不具有不得不在五面“鞋盒”型容器较深的内部对部件进行操作的屏障。使用该滑动圆柱构思，不需要在端盖之间使用笨重的结构支承，并且通过使圆柱沿着电缆滑动而离开其正常的组装位置，内部部件就可以露出来，容易地接近到组件的所有六个侧面。

14.相比于附接至电缆的中心偏移的“盒型”压力容器而言，新设计更加能够抵抗电缆的弯曲力和扭曲力。

15.新设计可容易地通过取消一个端盖的方式转变为电缆仅进入压力壳体一个端部的单端封闭结构。

16.新设计是一种一个大气压的压力容器并且其不从内部补偿压力而与流体静压的影响抗衡。这消除了需要提供内部压力的部件及机构的需求。

如上所述，尽管上述的示例实施例为各种海底壳体，但一般性的发明构思并不限于此，其还可应用于其它类型的壳体。

Claims (11)

1.一种压力装置，包含：

第一端盖；

第二端盖；

连接至所述第一端盖和第二端盖的中空壳体；

连接至所述第二端盖的锁环；

连接至所述第一端盖的第一接线端；以及

连接至所述第二端盖的第二接线端，

其中，所述中空壳体具有肩部，所述肩部的内径小于所述第二端盖的最大外径，且限定出一个或多个内部销钉孔；

其中，所述第二端盖包括一个或多个销钉，该一个或多个销钉能够沿轴向插入所述一个或多个内部销钉孔中，以用于将所述第二端盖连接至所述中空壳体；

其中，在所述第二端盖的最大外径与所述中空壳体的内表面之间设置有一个或多个O形环，用以在所述第二端盖与所述中空壳体之间形成密封；以及

其中，所述第一端盖限定一个或多个螺钉孔，所述一个或多个螺钉孔能够与限定在所述中空壳体内的一个或多个螺钉孔轴向对齐，并且一个或多个螺栓能够通过限定在所述第一端盖和中空壳体内的螺钉孔轴向插入。

2.如权利要求1所述的压力装置，进一步包含连接至所述第一端盖和第二端盖中至少一个的桥结构。

3.如权利要求2所述的压力装置，进一步包含连接至所述桥结构的光纤和电气组件中的至少一个。

4.如权利要求1所述的压力装置，其中，所述接线端为铠装接线端。

5.如权利要求1所述的压力装置，其中，所述接线端为环氧树脂压盖。

6.如权利要求1所述的压力装置，其中，所述接线端为穿入器。

7.如权利要求1所述的压力装置，其中，所述壳体为圆柱形。

8.如权利要求1所述的压力装置，其中，所述锁环将所述第二端盖与所述压力装置轴向对齐并定位。

9.如权利要求1所述的压力装置，其中，所述第二端盖在其外圆周表面上具有螺纹表面，该螺纹表面被构造成能够附接至所述锁环的内圆周表面。

10.如权利要求1所述的压力装置，其中，所述锁环抵靠所述壳体的所述肩部的外部侧表面，所述外部侧表面垂直于所述壳体的纵向轴线。

11.如权利要求1所述的压力装置，还包括连接至所述第一端盖和第二端盖的桥结构。